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KR101615747B1 - A efficient improvement method for maximum power point tracking of the solar inverter in case of partial shading - Google Patents

A efficient improvement method for maximum power point tracking of the solar inverter in case of partial shading Download PDF

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KR101615747B1
KR101615747B1 KR1020160018880A KR20160018880A KR101615747B1 KR 101615747 B1 KR101615747 B1 KR 101615747B1 KR 1020160018880 A KR1020160018880 A KR 1020160018880A KR 20160018880 A KR20160018880 A KR 20160018880A KR 101615747 B1 KR101615747 B1 KR 101615747B1
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KR
South Korea
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particle
voltage
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current
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Application number
KR1020160018880A
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Inventor
김영일
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지투파워 (주)
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Abstract

The present invention relates to a method for improving MPPT efficiency of a solar inverter in case of partial shading. The method comprises: step (a) of following a maximum power point until a change of current power becomes smaller than a preset first threshold value; step (b) of randomly generating speed of each particle; step (c) of calculating or updating an optimized location per a particle and the total optimized location in accordance with conformity; step (d) of calculating or updating the total optimized location with the best conformity in a mutant particle group; and step (e) of performing step (a) in case of a predetermined condition while alternately and repetitively performing step (c) and step (d). Therefore, even though shading occurs, the maximum power point can be always followed.

Description

부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법 { A efficient improvement method for maximum power point tracking of the solar inverter in case of partial shading }[0001] The present invention relates to a method of improving MPPT efficiency of a photovoltaic inverter in partial shading,

본 발명은 부분 음영 시에 태양광 인버터의 MPPT 제어를 수행함에 있어서, 출력전압을 주기적으로 증감시키는 P&O(Perturbation and Observation) 제어 방법으로 수행하되, 지역 최대전력점을 추종할 때, 차분진화 및 입자군집 최적화(DEPSO, Differential Evolution and Particle Swarm Optimization) 방법을 수행하여 다른 로컬(local) 위치의 최대전력점을 추종시키는, 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법에 관한 것이다.In performing MPPT control of a solar inverter at partial shading, the present invention performs a Perturbation and Observation (P & O) control method in which an output voltage is periodically increased or decreased. When following a local maximum power point, The present invention relates to a method for improving the MPPT efficiency of a solar photovoltaic inverter at partial shading by performing a DEPSO (Differential Evolution and Particle Swarm Optimization) method so as to follow the maximum power point at another local position.

지구 온난화 그리고 에너지 정책은 최근에 국제적인 의제로 되고 있고, 선진국은 온실 가스 배출을 감소시키려 하고 있다. 이러한 상황에서 태양광발전은 반영구적이고 태양전지를 사용해서 유지보수가 간편하며 무공해 무진장한 태양에너지원을 사용하므로 미래의 대체에너지원으로 각광받고 있다. 태양광 발전을 설치한 후에는 온실가스의 배출 없이 일사량에 따른 전기를 생산하게 된다. 그러나 태양광 발전을 위한 시설은 초기투자비가 많이 들어간다. 태양광 발전의 효율을 증가시킴으로써 태양광 발전의 수익성을 높일 수 있다. Global warming and energy policies have recently become international agendas and developed countries are trying to reduce greenhouse gas emissions. In this situation, solar power generation is semi-permanent, it is easy to maintain using solar cell, and because it uses unlimited, no-limit solar energy source, it is becoming a future alternative energy source. After installing solar power, it will produce electricity according to solar radiation without emitting greenhouse gas. However, facilities for photovoltaic power generation have a high initial investment cost. By increasing the efficiency of solar power generation, profitability of solar power generation can be increased.

태양광 발전의 효율은 크게 세 개의 요인에 영향을 받는다. PV(Photovoltaic) 패널의 효율, 인버터의 효율, 및 최대전력점 추종(MPPT) 알고리즘의 효율이다. 이 중 새로운 제어 알고리즘으로 최대전력점(MPP)을 추종하는 것은 다른 효율을 증가시키는 것에 비해 보다 쉽고 비용이 적게 요구된다고 할 수 있다.The efficiency of solar power generation is largely influenced by three factors. Efficiency of the PV (Photovoltaic) panel, efficiency of the inverter, and efficiency of the maximum power point tracking (MPPT) algorithm. Following this, it is easier and less costly to follow the maximum power point (MPP) with the new control algorithm than to increase the other efficiency.

PV 어레이는 발생된 전력이 최대가 되는 유일한 점을 가진 비선형 전압-전류 특성이 있기 때문에 MPPT 알고리즘이 필요하다. 상기 최대전력점(MPP)은 패널의 온도와 일사량 조건에 달려 있다. 두 조건 다 낮에는 변화하고 계절에 따라서 다르다. 게다가 일사량은 구름과 같은 대기의 상태에 따라 변화하기 때문에 급속하게 바뀔 수도 있다. 최대 전력점을 항상 얻기 위해서는 모든 가능한 조건 하에서 MPP를 정확하게 추적하는 것이 매우 중요하다.The PV array requires the MPPT algorithm because it has a non-linear voltage-current characteristic with a unique point at which the generated power is at its maximum. The maximum power point (MPP) depends on the temperature of the panel and the solar radiation conditions. Both conditions change day by day and depend on the season. In addition, solar radiation can change rapidly because it changes with the state of the atmosphere, such as clouds. It is very important to accurately track the MPP under all possible conditions to always get the maximum power point.

따라서 최대전력점(MPP)을 추종하는 기술들이 제시되고 있다. 최대전력점(MPP)을 추종하는 기술은 P&O(Perturbation and Observation) 제어 방법, 증분 컨덕턴스(InCond, Incremental Conductance) 제어 방법, 및, 힐 클라이밍(Hill Climbing) 제어 방법 등이 있다.Therefore, technologies that follow the maximum power point (MPP) are being proposed. Techniques for following the maximum power point (MPP) include a Perturbation and Observation (P & O) control method, an incremental conductance (InCond) control method, and a Hill Climbing control method.

P&O 제어 방법은 태양전지 어레이의 출력 전압을 주기적으로 증가시키거나 또는 감소시키고, 이전 출력 전력과 현재 출력 전력을 비교하여 최대전력 동작점을 찾는 방법이고, 증분 컨덕턴스 제어 기법은 태양전지 출력의 컨덕턴스와 증분 컨덕턴스를 비교하여 최대 전력 동작점을 찾는 방법이며, 힐 클라이밍 제어는 듀티비의 가감을 통해서 최대전력점을 추종하는 방법이다.The P & O control method is a method of periodically increasing or decreasing the output voltage of the solar cell array, comparing the previous output power with the present output power to find the maximum power operating point, and the incremental conductance control method is to determine the conductance of the solar cell output And the incremental conductance is compared to find the maximum power operating point. The hill climbing control is a method of following the maximum power point by adding or subtracting the duty ratio.

P&O 제어 방법의 일례로서, 태양전지 어레이의 출력 전압(V)의 변화에 따른 태양전지 어레이의 출력 전력(P)의 순간 변화량을 통하여 최대전력점을 추종하는 기술들이 제시되고 있다[특허문헌 1]. 이때, 태양전지 어레이 모듈의 출력 전압에 전압 증분을 가감하고 가감된 출력 전압에 대한 출력 전력이 최대가 되도록 제어한다. 상기 P&O 제어 기법은 제어가 복잡하지 않지만, 상기 제어 기법으로는 특정 전압 값에 대하여 전압 증분 값의 가감이 가능하므로 최대전력점 근방에서 전력 값에 진동이 발생하여 전력손실이 발생되는 문제점이 있었다.As one example of the P & O control method, techniques for following the maximum power point through an instantaneous change amount of the output power (P) of the solar cell array according to the change of the output voltage (V) of the solar cell array are proposed [Patent Document 1] . At this time, the voltage increment is added to or subtracted from the output voltage of the solar cell array module, and the output power of the added / subtracted output voltage is controlled to be the maximum. Although the P & O control technique is not complicated, the control technique can increase or decrease the voltage increment value with respect to a specific voltage value, and thus vibration occurs in the power value near the maximum power point, resulting in power loss.

또한, 종래 기술에 의한 P&O 제어 방법에 의하면 기준전압 변동 폭의 크기(ΔV)에 따라 특성이 변한다는 것이다. ΔV가 큰 경우, MPP 추종 속도는 증가하나 출력전압 변동폭이 넓어지는 문제점이 발생된다. 반대로 ΔV가 작은 경우, MPP추종 속도는 감소하지만, 출력전압 변동폭이 좁아진다는 장점을 갖는다.Further, according to the P & O control method according to the related art, the characteristic is changed according to the magnitude? V of the reference voltage fluctuation width. When? V is large, the MPP follow-up speed is increased but the output voltage fluctuation width is widened. On the contrary, when? V is small, the MPP follow-up speed is reduced, but the advantage is that the fluctuation range of the output voltage is narrowed.

이러한 문제점을 해결하고자, 전압 증분을 가변적인 값을 이용하는 기술이 제시되고 있다[특허문헌 2]. 그러나 상기 특허문헌 2에서는 단지 가변 전압 증분을 이전 전압 증분이나 출력 전력의 증분에 대한 값에 의해서만 가변화시키고 있다. 즉, 특허문헌 2에서는 전류에 대한 요소에 대하여 전혀 고려하고 있지 않다.In order to solve such a problem, a technique of using a variable value of voltage increment has been proposed [Patent Document 2]. However, in the Patent Document 2, only the variable voltage increment is varied only by the value for the previous voltage increment or the output power increment. That is, in Patent Document 2, no consideration is given to an element for current.

또한, 종래 기술에 의한 P&O 제어 방법에 의하면 현재 전압에서 증감시키기 때문에, 결과적으로 찾은 최대전력점이 전체에서의 최대전력점이 아닌 지역에서의 최대전력점일 수 있다. 이러한 현상은 태양광 패널에 음영 지역 등이 발생할 때 발생한다. 즉, 전압과 전력의 그래프 상에서 로컬의 최대점이 다수 개가 있는 경우, 전체 최대전력점이 아니라 이보다 낮은 로컬 위치의 최대전력점을 최종 전력점으로 찾는 문제가 발생한다.Further, according to the P & O control method according to the related art, since the current voltage is increased or decreased, the resulting maximum power point can be the maximum power point in the region that is not the maximum power point in the whole. This phenomenon occurs when a shadow area occurs on a solar panel. That is, when there are a plurality of local maximum points on the graph of voltage and power, there occurs a problem of finding the maximum power point at a local position lower than the entire maximum power point as a final power point.

대한민국 등록특허공보 제10-1065862호(2011.09.20. 공고)Korean Registered Patent No. 10-1065862 (Announced on September 20, 2011) 대한민국 등록특허공보 제10-1223611호(2013.01.17. 공고)Korean Registered Patent No. 10-1223611 (published on Jan. 17, 2013)

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 부분 음영 시에 태양광 인버터의 MPPT 제어를 수행함에 있어서, 출력전압을 주기적으로 증감시키는 P&O(Perturbation and Observation) 제어 방법으로 수행하되, 지역 최대전력점을 추종하면, 차분진화 및 입자군집 최적화(DEPSO, Differential Evolution and Particle Swarm Optimization)를 수행하여 다른 로컬(local) 위치의 최대전력점을 추종시키는, 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above problems and to provide a Perturbation and Observation (P & O) control method for periodically increasing or decreasing an output voltage in performing MPPT control of a solar inverter at partial shading, If the local maximum power point is followed, MPPT of partial solar photovoltaic inverters, which follow the maximum power point of other local locations by performing differential evolution and particle swarm optimization (DEPSO) And to provide a method for improving efficiency.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 태양광 패널의 스트링 및 어레이에 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법에 관한 것으로서, (a) P&O 과정에 의하여 최대전력점을 추종하되, 최대전력점이 임의의 점으로 수렴하여 현재 전력의 변화가 사전에 정해진 제1 임계값 보다 작을 때까지 추종하는 단계; (b) 보정전압을 입자들로 구성하여 N개 입자의 입자 집단을 생성하고, 각 입자의 속도를 랜덤하게 생성하는 단계; (c) 각 입자의 속도를 갱신하여 이동하는 위치를 구하고, 각 입자의 위치에서의 적합도를 구하고, 적합도에 따라 입자별 최적위치 및, 전체 최적위치를 산출하거나 갱신하는 단계; (d) 상기 입자 집단에서 적어도 3개의 입자를 랜덤하게 선택하고, 선택된 입자들에 대하여 돌연변이 벡터를 생성하고, 확률 변수에 따라 돌연변이 벡터가 포함되는 돌연변이 입자 집단을 생성하고, 돌연변이 입자 집단에서 적합도가 최고인 전체 최적위치를 산출하거나 갱신하는 단계; (e) 상기 (c) 단계와 (d) 단계를 서로 교차하여 반복 수행하되, 반복횟수가 사전에 정해진 설정횟수를 초과하거나 상기 (a)단계의 최대전력점의 전력 보다 더 큰 전력을 가지는 전체 최적위치가 검출되면, 상기 (a)단계를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the present invention relates to a method for improving the MPPT efficiency of a solar inverter in partial shading of a string and an array of solar panels, comprising the steps of: (a) following a maximum power point by P & Following the convergence to an arbitrary point until the change of the current power is smaller than a predetermined first threshold value; (b) generating a population of particles of N particles by composing the correction voltage as particles, and randomly generating the speed of each particle; (c) updating the velocity of each particle to find a moving position, calculating a fitness at a position of each particle, and calculating or updating an optimal position and a total optimum position for each particle according to the fitness; (d) randomly selecting at least three particles in the population of particles, generating a mutation vector for the selected particles, generating a population of mutant particles containing a mutation vector according to the random variable, Calculating or updating a total optimum position that is the best; (e) repeating the steps (c) and (d), and repeating the steps (a) and (d), wherein the number of repetitions exceeds a preset number of times, And if the optimal position is detected, performing the step (a).

또한, 본 발명은 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법에 있어서, 상기 입자 집단의 각 입자의 위치는 보정전압으로 설정하고, 각 입자의 적합도는 각 입자의 위치인 보정전압일 때에 측정된 전력으로 설정하는 것을 특징으로 한다.Further, the present invention is a method for improving MPPT efficiency of a solar inverter in partial shading, wherein a position of each particle in the particle group is set as a correction voltage, and a fitness of each particle is measured when the correction voltage is a position of each particle Power is set.

또한, 본 발명은 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법에 있어서, 상기 (c) 단계 또는 (d) 단계에서, 각 입자의 이전 위치에 의한 적합도 대비, 현재 위치에 의한 적합도와 이전 위치에 의한 적합도의 차이의 비율이 사전에 정해진 제2 임계값 보다 크면, 상기 (b)단계를 다시 수행하여 반복하는 것을 특징으로 한다.Further, the present invention provides a method for improving the MPPT efficiency of a solar inverter in partial shading, wherein in the step (c) or (d), the fitness according to the previous position, If the ratio of the difference in fitness by the second threshold is greater than a second threshold value determined in advance, the step (b) is repeated to repeat.

또한, 본 발명은 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법에 있어서, 상기 (a)단계에서, 현재 전압과 현재 전류를 측정하여 현재 전력을 계산하고, 전압증분을 산출하여 현재 전압에 상기 전압증분을 더하여 다음 회차의 보정 전압을 산출하여, 산출된 보정전압에 의하여 다음 회차의 전력를 계산하여 반복하고, 전력 변화를 구하는 것을 특징으로 한다.The present invention also provides a method for improving MPPT efficiency of a solar photovoltaic inverter in partial shading, the method comprising: calculating current power by measuring a current voltage and a current current in step (a), calculating a voltage increment, The voltage increment is added to calculate the correction voltage of the next turn, and the power of the next turn is calculated and repeated by the calculated correction voltage to obtain the power change.

또한, 본 발명은 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법에 있어서, 상기 (a)단계에서, 현재 전력과 이전 전력을 대비한 결과에 따라 전압증분의 부호를 결정하는 것을 특징으로 한다.Further, the present invention is a method for improving MPPT efficiency of a solar photovoltaic inverter in partial shading, characterized in that the sign of the voltage increment is determined according to the result of comparing the current power with the previous power in the step (a).

또한, 본 발명은 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법에 있어서, 상기 (b)단계에서, 다음 수식 1에 의하여, 입자들의 집단 및 속도를 초기화하되, Vj i는 각 입자 Xj i 의 속도이고, [-vmax, vmax] 내에서 랜덤하게 생성하고, vmax 는 입자의 이동속도를 의미하며 탐색범위의 20%로 설정되는 것을 특징으로 한다.The present invention is part of the sun improved MPPT efficiency of the optical drive method at the time of shading, but in the step (b), the initialization of, population and velocity of the particles by the following equation 1, V j i is the respective particles X j i is randomly generated within [-v max , v max ], v max is the moving speed of the particle, and is set to 20% of the search range.

[수식 1][Equation 1]

Figure 112016016018445-pat00001
Figure 112016016018445-pat00001

Figure 112016016018445-pat00002
Figure 112016016018445-pat00002

단, 입자들 Xj i는 보정 전압을 나타내고, N은 입자의 수이며, i는 반복횟수를 나타내고, k는 입자에 대한 인덱스를 나타냄.Where particles X j i represent the correction voltage, N is the number of particles, i represents the number of repetitions, and k represents the index for the particles.

또한, 본 발명은 구름 등의 영향으로 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법에 있어서, 상기 (c)단계에서, 각 입자들의 속도와 위치(또는 보정전압)를 다음 [수식 2]에 의해 갱신하는 것을 특징으로 한다.In the method of improving the MPPT efficiency of a solar inverter in partial shading due to the influence of clouds or the like, the present invention is characterized in that in step (c), the velocity and position (or correction voltage) In response to the request.

[수식 2][Equation 2]

Figure 112016016018445-pat00003
Figure 112016016018445-pat00003

Figure 112016016018445-pat00004
Figure 112016016018445-pat00004

단, w는 관성하중이고, c1,c2이고, Pbk는 각 k번째 입자의 가장 좋은 값이며, Gb는 전체입자들 중 가장 좋은 값임.Where w is the inertia load, c1, c2, Pbk is the best value for each kth particle, and Gb is the best value among all particles.

또한, 본 발명은 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법에 있어서, 상기 w는 1.2이고, c1과 c2는 각각 2, 1.5인 것을 특징으로 한다.Further, the present invention is a method for improving MPPT efficiency of a solar inverter in partial shading, wherein w is 1.2, and c1 and c2 are 2 and 1.5, respectively.

또한, 본 발명은 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법에 있어서, 상기 (d)단계에서, 돌연변이 입자 집단은 수식 3에 의해 구하는 것을 특징으로 한다.Further, the present invention is a method for improving the MPPT efficiency of a solar photovoltaic inverter in partial shading, characterized in that, in the step (d), the mutant particle group is obtained by the formula (3).

[수식 3][Equation 3]

Figure 112016016018445-pat00005
Figure 112016016018445-pat00005

Figure 112016016018445-pat00006
Figure 112016016018445-pat00006

단, xi r1, xi r2, xi r3는 입자 집단의 i번째 세대의 N개의 입자로부터 임의로 3개 선택된 입자들이고, r1,r2,r3는 1~N사이의 값이며 이중에서 랜덤하게 선택된 값이고, K와 F는 돌연변이 인자이고, rnd는 0~1사이에서 랜덤하게 생성하는 랜덤한 값이며, CR은 확률변수임.Where x i r1 , x i r2 , x i r3 are randomly selected three particles from N particles of the i-th generation of the population of particles, r1, r2 and r3 are values between 1 and N, Value, K and F are mutation factors, rnd is a random value randomly generated between 0 and 1, and CR is a random variable.

또한, 본 발명은 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법에 있어서, K와 F는 각각 0.5와 0.7값을 사용하고, CR은 0.8을 사용하는 것을 특징으로 한다.Further, the present invention is characterized in that, in the method of improving the MPPT efficiency of a solar inverter in partial shading, K and F are respectively 0.5 and 0.7, and CR is 0.8.

또한, 본 발명은 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다.In addition, the present invention relates to a computer-readable recording medium on which a program for performing MPPT efficiency improvement method of a photovoltaic inverter at partial shading is recorded.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법에 의하면, 차분진화 및 입자군집 최적화(DEPSO) 방법을 통해 전압 전체에서 랜덤하게 출발하여 최대전력점을 추종함으로써, 모든 지역에서 최대전력점을 추종하여 음영 등이 발생하더라도 항상 최대 전력점을 추종할 수 있는 효율 개선 효과가 얻어진다.As described above, according to the MPPT efficiency improvement method of the solar inverter at partial shading according to the present invention, the maximum power point is followed by starting randomly from the whole voltage through the differential evolution and particle cluster optimization (DEPSO) The efficiency improvement effect that always follows the maximum power point can be obtained even if the shade or the like occurs in all regions.

도 1은 본 발명을 실시하기 위한 태양광 발전 시스템의 구성에 대한 블록도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지의 등가회로의 회로도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 태양전지의 특성곡선으로서, (a) V-I특성, (b) V-P 특성의 그래프.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 MPPT 제어를 위한 구성에 대한 회로도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 MPPT 제어 장치에 대한 회로도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 인버터의 P&O 방식의 최대전력점 추종 방법의 동작을 나타내는 표.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 태양광 인버터의 P&O 방식의 최대전력점 추종 방법에서의 태양전지 V-P 특성 곡선과 동작점을 나타낸 그래프.
도 8는 본 발명의 일실시예에 따른 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법을 설명하는 흐름도.
도 9은 본 발명의 일실시예에 따른 PSO와 DE 결합에 의한 특성을 나타낸 그래프.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram of a configuration of a solar power generation system for practicing the present invention; FIG.
2 is a circuit diagram of an equivalent circuit of a solar cell according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a characteristic curve of a solar cell according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 (a) is a VI characteristic, and FIG.
4 is a circuit diagram of a configuration for MPPT control of a photovoltaic power generation system according to an embodiment of the present invention;
5 is a circuit diagram of an MPPT control apparatus of a photovoltaic power generation system according to an embodiment of the present invention.
6 is a table showing the operation of the maximum power point tracking method of the P & O method of the solar inverter according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing a solar cell VP characteristic curve and an operating point in the P & O method of tracking the maximum power point of a solar inverter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a flow chart illustrating a method for improving MPPT efficiency of a solar photovoltaic inverter in partial shading according to an embodiment of the present invention. FIG.
9 is a graph illustrating characteristics of PSO and DE coupling according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.In the description of the present invention, the same parts are denoted by the same reference numerals, and repetitive description thereof will be omitted.

먼저, 본 발명을 실시하기위한 태양광 발전 시스템의 전체 구성을 도 1을 참조하여 설명한다.First, the entire configuration of a solar power generation system for carrying out the present invention will be described with reference to FIG.

도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명을 실시하기위한 태양광 발전 시스템의 전체 구성은 태양전지 어레이(10), 인버터(20), 제어장치(30), 및, 전력계통(40)을 포함하여 이루어진다.1, the entire configuration of a solar power generation system for practicing the present invention includes a solar cell array 10, an inverter 20, a control device 30, and a power system 40 .

여기서, 태양전지 어레이(10)는 외부로부터 입사되는 태양광을 집광하여 전기를 발생시키기 위한 것으로서, 통상적으로 주로 실리콘과 복합재료가 이용된다. 구체적으로, 상기 태양전지 어레이(10)는 P형 반도체와 N형 반도체를 접합시켜 사용하는 것으로, 태양 빛을 받아 전기를 생산하는 광전효과를 이용하는 것이다. 대부분의 태양전지 어레이(10)는 대면적의 P-N 접합 다이오드로 이루어져 있으며, 상기 P-N 접합 다이오드의 양극단에 발생된 기전력을 외부 회로에 연결하여 사용하게 된다. 태양전지 어레이(10)의 최소 단위를 셀(Cell)이라고 하는데, 실제로 태양전지를 셀 그대로 사용하는 일은 거의 없다. 실제 사용되는데 필요한 전압이 수 V에서 수십 혹은 수백 V 이상인데 비하여 셀 1개로부터 나오는 전압은 약 0.5V로 매우 작기 때문인데, 이 때문에 다수의 단위 태양전지들을 필요한 단위 용량으로 직렬 또는 병렬 연결하여 사용하고 있다. 또한, 태양전지 어레이(10)가 야외에서 사용되는 경우 여러 가지 혹독한 환경에 처하게 되므로, 필요한 단위 용량으로 연결된 다수의 셀을 혹독한 환경에서 보호하기 위하여 복수의 셀을 패키지로 구성하여 사용한다.Here, the solar cell array 10 is for generating electricity by condensing sunlight incident from the outside, and silicon and a composite material are usually used mainly. Specifically, the solar cell array 10 uses a p-type semiconductor and an n-type semiconductor in combination, and utilizes a photoelectric effect to generate electricity by receiving sunlight. Most of the solar cell arrays 10 are formed of large-area P-N junction diodes, and the electromotive force generated at the opposite ends of the P-N junction diode is connected to an external circuit. The minimum unit of the solar cell array 10 is referred to as a cell. Actually, the solar cell is rarely used as it is. This is because the voltage required from one cell is very small, about 0.5V, compared to several tens of V or several hundreds of V, which is necessary for practical use. Therefore, a plurality of unit solar cells can be connected in series or parallel . In addition, when the solar cell array 10 is used outdoors, it is subjected to various harsh environments. Therefore, a plurality of cells are used as a package in order to protect a plurality of cells connected with a necessary unit capacity in a harsh environment.

인버터(20)는 태양전지 어레이(10)에서 병렬군으로 입력받은 직류전력을 하나의 직류전력으로 통합한 후 이를 상용전력으로 사용할 수 있도록 교류전력으로 변환하여 출력한다. 인버터(20)에서 출력된 교류 전력은 전력계통(40)을 통해 수용가의 부하로 공급된다.The inverter 20 integrates the DC power received in the parallel group in the solar cell array 10 into one DC power and converts it into AC power for use as commercial power. The AC power output from the inverter 20 is supplied to the load of the consumer through the power system 40.

제어장치(30)는 인버터(20) 내에 설치되어 인버터(20)를 제어하는 장치로서, 태양전지 또는 태양전지 어레이(10)의 최대전력점(MPP)을 추적하는 알고리즘을 통해 전력계통(40)으로 최대 발전전력을 송전하도록 제어한다.The control device 30 is an apparatus that is installed in the inverter 20 and controls the inverter 20. The control device 30 controls the power system 40 through an algorithm that tracks the maximum power point MPP of the solar cell or the solar array 10, So that the maximum generated power is transmitted.

다음으로, 태양전지 어레이(10)의 태양전지의 구성에 대하여 도 2를 참조하여 설명한다.Next, the configuration of the solar cell of the solar cell array 10 will be described with reference to Fig.

태양전지 어레이(10)의 구성 블록은 태양전지이며, 앞서 설명한 바와 같이, 기본적으로 빛 에너지를 직접 전기로 변환하는 p-n접합 반도체이다. 도 2는 태양전지의 등가회로이다. The constituent block of the solar cell array 10 is a solar cell, and as described above, it is basically a p-n junction semiconductor that directly converts light energy into electricity. 2 is an equivalent circuit of a solar cell.

태양전지의 전류 전압특성은 다음 수학식 1로 표현된다.The current-voltage characteristic of the solar cell is expressed by the following equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112016016018445-pat00007
Figure 112016016018445-pat00007

여기에서 I와 V는 각각 태양 전지 출력 전류 및 전압이고, I0는 다이오드 포화 전류, q는 전하량이며, A는 다이오드 재료계수, k는 볼츠만 상수, T는 절대 온도이고, RS와 RSH는 태양 전지의 직렬저항과 분로 저항이다. 여기에서 RSH의 값은 매우 크기 때문에 분석을 단순화하기 위하여 수학식 1의 끝항은 무시될 수 있다. 또한 태양전지 어레이(10)는 직렬과 병렬로 연결되는 많은 태양 전지로 구성되어, 태양전지 어레이(10)의 출력 전류와 전압이 계통연결 조건에 충분한 값을 갖게 된다. 위에서 언급된 단순화를 고려해서, 태양전지 어레이(10)의 출력 전류-전압 특성은 수학식 2로 표현되며, 여기에서 np와 ns는 태양 전지의 직렬 및 병렬연결 숫자이다.Where I and V are each a solar cell output current and voltage, I 0 is the diode is the saturation current, q is a charge amount, A is the diode material factor, k is the Boltzmann's constant, T is the absolute temperature, R S and R SH The series resistance and shunt resistance of the solar cell. Here, the value of R SH is so large that the end of equation (1) can be ignored to simplify the analysis. The solar cell array 10 is composed of many solar cells connected in parallel with the series, so that the output current and voltage of the solar cell array 10 have sufficient values for the system connection conditions. In consideration of the above-mentioned simplification, the output current-voltage characteristic of the solar cell array 10 is expressed by Equation 2, where n p and n s are the serial and parallel connection numbers of the solar cell.

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112016016018445-pat00008
Figure 112016016018445-pat00008

전류-전압 특성 중 중요한 점은 개방 회로 전압 VOC과 단락 전류 ISC이다. 두 점에서 발생되는 전력은 0이다. VOC는 분로 저항 RSH를 무시하고 태양전지에 흐르는 전류가 0일 때, 즉, I=0일 때 수학식 1로부터 유도하면 수학식 3과 같이 표현할 수 있다. 단락 전류 ISC는 V=0일 때의 전류이고, 광전류 IL과 거의 같다.Among the current-voltage characteristics, the open circuit voltage V OC and the short-circuit current I SC are important. The power generated at both points is zero. V OC can be expressed as Equation (3) by deriving from Equation (1) when the current flowing through the solar cell is 0, that is, I = 0, while ignoring the shunt resistor R SH . The short-circuit current I SC is the current when V = 0 and is almost equal to the photocurrent I L.

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112016016018445-pat00009
Figure 112016016018445-pat00009

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112016016018445-pat00010
Figure 112016016018445-pat00010

최대 전력은 V와 I의 곱이 최대인 전류-전압 특성 점에서 발전한다. 이 점이 MPP이며 도 3a 및 도 3b에서와 같이 유일한 점이다. 도 3a는 전압-전류의 곡선을 나타내고, 도 3b는 전압-전력 곡선을 나타낸다. MPP는 도 3b에서의 최고점이다.The maximum power develops at the current-voltage characteristic point where the product of V and I is the maximum. This is the MPP and is unique as in FIGS. 3A and 3B. Fig. 3A shows the voltage-current curve, and Fig. 3B shows the voltage-power curve. MPP is the highest point in Fig. 3B.

MPP를 추적하는데 고려되어야 하는 2개의 중요한 요인은 일사량과 온도이다. 이 두 가지 요소는 수학식 1과 수학식 2와 같이 태양 전지의 특성에 큰 영향을 미친다. 그 결과 MPP는 낮 동안 계속 변화하고, 왜 MPP가 끊임없이 추적되고 최대 유효 전력이 패널에서 얻어짐을 확보해야 하는지 그 주요원인이다.Two important factors to be considered in tracking MPP are solar radiation and temperature. These two factors have a great influence on the characteristics of the solar cell as shown in Equations (1) and (2). As a result, the MPP is constantly changing during the day, and why MPP is constantly being tracked and ensuring that the maximum active power is obtained from the panel.

광전류는 일사량에 비례하여 변화하며 일사량이 증가하면 단락전류(ISC)는 그에 따라 증가한다. 대조적으로, 개방 회로 전압(VOC)에 대한 효과는 일사량에 따른 전류의 변화에 비하여 그 영향이 작다.The photocurrent changes in proportion to the solar radiation. As the solar radiation increases, the short circuit current (I SC ) increases accordingly. In contrast, the effect on the open circuit voltage (V OC ) is less affected by the change in current depending on the irradiation dose.

본 발명의 일실시예에 따른 태양광 발전 시스템의 MPPT 제어를 위한 구성을 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다.A configuration for MPPT control of a photovoltaic power generation system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG.

도 4에서 보는 바와 같이, 태양전지 어레이, 직류링크(DC-link) 콘덴서 및, 전원 변환 장치를 대체하는 제어되는 전류원으로 이루어져 있다.As shown in FIG. 4, it is composed of a solar cell array, a DC-link capacitor, and a controlled current source replacing the power converter.

도 5에서 보는 바와 같이, MPPT 제어부(MPPT P&O)은 MPPT 알고리즘에 의해 레퍼런스 전압(Vref)을 생성한다. 즉, MPPT 제어부(MPPT P&O)는 PV 전압 Vpv, 및 PV 전류 Ipv를 입력받아, 레퍼런스 전압 Vref를 출력한다. 레퍼런스 전압(Vref)은 실제 PV 직류전압(Vpv)와의 차이(∑)가 계산되고, 계산된 차이는 비례적분이득(PI)로 공급된다. 그리고 그 출력이 실제 PV 직류전류(Ipv)와의 차이가 전류원의 레퍼런스 제어 값이 되어 S1으로 입력된다.As shown in FIG. 5, the MPPT controller (MPPT P & O) generates the reference voltage V ref by the MPPT algorithm. That is, the MPPT control unit (MPPT P & O) receives the PV voltage V pv and the PV current I pv and outputs the reference voltage V ref . The difference (?) From the actual PV direct-current voltage (V pv ) is calculated for the reference voltage (V ref ), and the calculated difference is supplied to the proportional integral gain (PI). The difference between the output and the actual PV direct current (I pv ) becomes the reference control value of the current source and is input to S1.

즉, 도 5의 ∑ 는 합산기(Summer)로서 두 개의 입력신호 중 +부호의 입력신호의 값에서 -부호의 입력신호의 값을 뺀 값을 출력한다. 또한, 도 5의 합산기(∑)의 출력은 리미터(limiter)로 입력되고, 리미터(limiter)는 상한설정 값과 하한설정 값을 지정한다. 입력 값이 상한설정 값보다 크면 상한설정 값을 출력하고, 입력 값이 하한설정 값보다 작으면 하한설정 값을 출력한다. 뒤에 연결된 비교기에 입력되는 삼각파의 범위를 벗어나지 않게 제한한다.That is, in Fig. 5, Σ is a summator (Summer), and outputs a value obtained by subtracting the value of the input signal of the sign from the value of the input signal of the + sign, out of the two input signals. Further, the output of the summer SIGMA in Fig. 5 is input to a limiter, and a limiter designates an upper limit set value and a lower limit set value. If the input value is higher than the upper limit setting value, the upper limit setting value is output. If the input value is lower than the lower limit setting value, the lower limit setting value is output. The range of the triangular wave inputted to the comparator connected later is limited.

도 5의 S1의 출력이 도 4의 S1으로 입력되어, S1이 PWM 입력으로 되고, 스위칭 회로(예를 들어, IGBT의 게이트)를 구동하게 되어, 부스트 동작이 이루어진다. 이를 통해, MPP를 추종하게 된다.The output of S1 in Fig. 5 is input to S1 in Fig. 4, S1 becomes a PWM input, and a switching circuit (for example, the gate of the IGBT) is driven to perform a boost operation. This leads to the MPP.

특히, MPPT 제어부(MPPT P&O)에 의해 생성된 레퍼런스 전압은 도 5에서 보인 제어 블록(회로)과 같이, 전류 레퍼런스로 변환된다. 즉, 레퍼런스 전압과 실제적인 직류 전압 (태양전지 어레이의 출력 전압) 사이의 오차는 그 값과 직류링크(DClink) 정전용량 및 샘플링 기간에 따른 비례 이득으로 공급한다. 이 이득의 출력은 태양전지 모듈의 전류에서 차감하고 그 결과는 제어되는 전류원에 대한 레퍼런스 전류이다.In particular, the reference voltage generated by the MPPT control unit (MPPT P & O) is converted into a current reference, like the control block (circuit) shown in FIG. In other words, the error between the reference voltage and the actual DC voltage (the output voltage of the solar cell array) is supplied by its value, the DC link capacitance and the proportional gain according to the sampling period. The output of this gain is subtracted from the current of the solar cell module and the result is the reference current for the controlled current source.

즉, 도 5의 S1은 Iref와 Ipv를 일치시키는 IGBT를 구동하는 PWM 드라이브 신호 출력으로서, 도 4에서 S1으로 표시되고 있다. 일반적인 MMPT 제어기에서는 MPPT 출력과 PV 전압과의 차를 레퍼런스 전압으로 하여 전압제어 만을 행한다. 바람직하게는, 본 발명에서는 레퍼런스 전압과 PV전류와의 차를 레퍼런스 전류로 하여 전류원을 제어하는 전류제어를 행한다.That is, S1 in Fig. 5 is the PWM drive signal output for driving the IGBT which coincides with I ref and I pv , and is denoted by S1 in Fig. In a general MMPT controller, only the voltage control is performed by using the difference between the MPPT output and the PV voltage as the reference voltage. Preferably, in the present invention, current control is performed to control the current source with the difference between the reference voltage and the PV current as the reference current.

본 발명의 일실시예에 따른 태양광 인버터의 P&O 방식의 최대전력점 추종 방법을 도 6 내지 도 9을 참조하여 설명한다.The maximum power point tracking method of the P & O method of the solar inverter according to an embodiment of the present invention will now be described with reference to FIGS. 6 to 9. FIG.

P&O MPPT의 기본원리는 태양전지의 동작점을 규정하는 태양전지 출력단 전압(Vpv)제어 시에 전압을 일정한 폭으로 변동시킨 후 태양전지 출력전력(Ppv[n])을 관측하고, 이를 이전 출력전력(Ppv[n-1])과 비교하여 출력이 증가하는 방향으로 전압(Vpv +)을 상승 또는 하강시킴으로써 최대전력점을 추종하는 방식이다. 이 방식을 간단히 요약하면 도 6의 표와 같다.The basic principle of P & O MPPT is to measure the solar cell output power (P pv [n]) after controlling the voltage of the solar cell output voltage (V pv ) The maximum power point is followed by raising or lowering the voltage V pv + in the direction in which the output is increased in comparison with the output power P pv [n-1]. A brief summary of this method is shown in the table of FIG.

도 7은 태양전지 어레이의 P-V출력 특성과 P&O MPPT에 의한 동작점의 이동을 나타낸다. 도 7에서 최초 동작점이 A인 경우, 태양전지 어레이 전압은 VA이고, 이 때의 태양전지 출력전력은 PA이다. 다음 기준전압을 VB라고 하면, 이 때의 출력전력은 PB이고, 동작점은 B점에 위치하게 된다. 여기서 PB > PA 이고 VB < VA 이므로, △Ppv > 0이고 △Vpv < 0가 되어, 도 6의 표의 케이스 3이 된다. 즉, 다음 기준 전압은 VB보다 △V만큼 작은 VC가 된다. 동작점이 C로 움직인 경우 역시 PC > PB, VC < VB이므로, 도 6의 표의 케이스 3이 된다. 그리고 다음 기준전압은 VD가 된다. 동작점이 D인 경우 PD < PC, VD < VC 이므로 도 6의 표의 케이스 4에 해당된다. 그리고 다음 기준전압은 VD보다 △V만큼 큰 VC가 된다.7 shows the PV output characteristics of the solar cell array and the movement of the operating point by P & O MPPT. In Fig. 7, when the first operating point is A, the solar cell array voltage is V A, and the solar cell output power at this time is P A. Assuming that the next reference voltage is V B , the output power at this time is P B , and the operating point is located at point B. Here, since P B > P A and V B <V A , ΔP pv > 0 and ΔV pv <0 become Case 3 in the table of FIG. That is, the next reference voltage becomes V C smaller than V B by ΔV. When the operating point moves to C, P C > P B and V C < V B, so that Case 3 in the table of FIG. 6 is obtained. The next reference voltage is V D. If the operating point is D, then P D <P C and V D <V C , which corresponds to case 4 in the table of FIG. The next reference voltage is V C, which is larger than V D by ΔV.

동작점이 다시 C인 경우 PC > PD, VC > VD 이므로 도 6의 표의 케이스 1에 해당되며, 다음 기준전압은 VC보다 △V만큼 큰 VB가 된다. 동작점이 B인 경우 PB < PC, VB > VC 이므로 도 6의 표의 케이스 2에 해당되며, 다음 기준전압은 VB보다 △V만큼 작은 VC가 된다.If the operating point is again C, P C > P D , V C > V D , which corresponds to case 1 in the table of FIG. 6, and the next reference voltage becomes V B which is larger by ΔV than V C. Since P B <P C and V B > V C, it corresponds to Case 2 in the table of FIG. 6, and the next reference voltage becomes V C smaller than V B by ΔV.

따라서 동작점은 A→B→C→D→C→B→C 를 반복하여 나타나게 된다. 이와 같이 △Vpv와 △Ppv의 극성에 따라 다음 기준 전압을 결정하는 방법이 P&O 방식이며, 그 결과 도 7에서 일사량 변동이 없는 경우 B점과 D점 사이에서 동작점을 변동시키면서 MPP(Maximum Power Point)부근에서 동작하게 된다.Therefore, the operating point appears repeatedly: A → B → C → D → C → B → C. The method of determining the next reference voltage according to the polarities of ΔV pv and ΔP pv is the P & O method. As a result, in the case where there is no variation in the irradiation dose in FIG. 7, the operating point is changed between points B and D, Power Point).

다음으로, 본 발명의 일실시예에 따른 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법을 도 8를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.Next, a method for improving the MPPT efficiency of the solar inverter at partial shading according to an embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to FIG.

도 8에서 보는 바와 같이, P&O(Perturbation and Observation) 방식에 의하여, 로컬에서의 최대전력점을 추종한다.As shown in FIG. 8, the local maximum power point is followed by a P & O (Perturbation and Observation) method.

이를 위해, 먼저, 보정 전압을 초기화 한다(S10). 보정 전압은 P&O 방식에 의하여 최대전력을 추종할 때, 증감하는 전압을 말한다. 즉, P&O 방식은 최대전력점을 추종하는 전압 값을 보정하는 방법이다.To this end, first, the correction voltage is initialized (S10). The correction voltage refers to a voltage that increases or decreases when the maximum power is followed by the P & O method. That is, the P & O method is a method of correcting a voltage value following the maximum power point.

다음으로, 현재 전압 Vpv(k)와 현재 전류 Ipv(k)를 측정한다(S21). 이때, k는 현재 시간 또는 현재 측정되는 회차를 나타낸다. 그리고 현재 전압과 현재 전류를 측정하면, 이들을 곱하여 현재 전력 Ppv(k)를 산출한다(S22).Next, the current voltage Vpv (k) and the current Ipv (k) are measured (S21). Here, k represents the current time or the current measured difference. When the current voltage and the current are measured, they are multiplied to calculate the current power Ppv (k) (S22).

다음으로, 전압증분을 계산한다(S23). 현재 전압 증분 △D(k)는 다음 수학식 6과 같이 계산된다.Next, the voltage increment is calculated (S23). The current voltage increment DELTA D (k) is calculated by the following equation (6).

[수학식 6]&Quot; (6) &quot;

△D(k) = C×sign(△D(k-1))? D (k) = C 占 sign (? D (k-1))

여기서, C는 증분 상수이고, 바람직하게는 1보다 작게 설정한다. sign은 +1 또는 -1로서 양수 또는 음수를 나타낸다. △D(k-1)은 이전 전압 증분이다.Where C is an incremental constant, preferably less than one. sign is either +1 or -1 indicating a positive or negative number. ΔD (k-1) is the previous voltage increment.

다음으로, 현재 전력 Ppv(k)와 이전 전력 Ppv(k)를 비교하여, 그 결과에 따라 전압 증분 △D(k)의 부호를 결정한다(S24,S25).Next, the current power Ppv (k) is compared with the previous power Ppv (k), and the sign of the voltage increment? D (k) is determined according to the result (S24, S25).

다음으로, 다음 보정 전압 D(k)(또는 D(k+1))를 설정한다(S26). 즉, 전압증분 △D(k)만큼 증가시키거나 감소시켜, 다음 보정 전압을 설정한다.Next, the next correction voltage D (k) (or D (k + 1)) is set (S26). That is, it is increased or decreased by the voltage increment DELTA D (k) to set the next correction voltage.

그리고 위와 같은 과정을 반복한다. 기본적으로 P&O 방법으로 MPPT가 수행되며, MPP가 임의의 점으로 수렴한다.Then repeat the above procedure. Basically, MPPT is performed by P & O method, and MPP converges to an arbitrary point.

다음으로, 최대전력점이 임의 점으로 수렴하여, 현재 전력 Ppv의 변화가 적은 경우, 즉, 일정 시간구간 동안의 평균값 Avg(ΔPpv)가 설정 기준값 e 보다 적은 경우를 판단한다(S27). 만약 적은 경우, 차분진화 및 입자군집 최적화(DEPSO, Differential Evolution and Particle Swarm Optimization)를 수행한다. DEPSO는 PSO (Particle Swarm Optimization, 입자군집 최적화)과 DE(Differential Evolutionary Optimization, 차분진화 최적화)를 결합한 것이다.Next, it is determined whether the average power value Avg (? Ppv) during a predetermined time interval is smaller than the set reference value e (S27) when the maximum power point converges to an arbitrary point and the change of the current power Ppv is small. If it is small, it performs differential evolution and particle swarm optimization (DEPSO, differential evolution and particle swarm optimization). DEPSO combines PSO (Particle Swarm Optimization) and DE (Differential Evolutionary Optimization).

DEPSO를 통해서 앞서 찾은 최대전력점 Ppv(k) 보다 더 큰 전력점을 찾으면, 찾은 전력점으로 다시 앞서의 최대전력점 추종 과정(S21~S27)을 반복한다. 즉, DEPSO 과정에서 계산된 Gbest에서의 출력인 J(Gbest)가 P&O 과정에 의해 추종되는 전력인 P(k)보다 큰 값이 찾아지면, DEPSO에서 찾아진 Gbest 값을 새로운 MPP로 설정하고 P&O 과정을 실행한다.If a power point larger than the maximum power point Ppv (k) found previously through the DEPSO is found, the previous maximum power point follow-up process (S21 to S27) is repeated with the found power point. That is, if the value of J (Gbest), which is the output of Gbest calculated in the DEPSO process, is larger than P (k), which is the power followed by the P & O process, the Gbest value found in DEPSO is set as a new MPP, .

다음으로, DEPSO 과정을 수행하기 위하여, 입자들의 집단 및, 그 속도를 초기화 한다(S31).Next, in order to perform the DEPSO process, the group of particles and their velocities are initialized (S31).

다음 수학식 7과 같이, 입자들의 집단을 초기화 한다. 여기서 입자들 Xj i는 보정 전압을 나타낸다.As shown in the following Equation (7), a group of particles is initialized. Where the particles X j i represent the correction voltage.

[수학식 7]&Quot; (7) &quot;

Figure 112016016018445-pat00011
Figure 112016016018445-pat00011

여기서, N은 개체(입자)의 수이며, i는 반복횟수(또는 진화세대수)를 나타낸다. 반복횟수 i는 하나씩 증가시켜, 설정된 값까지 반복한다. 여기서, k는 전체 개체(입자) 중에서 k번째 입자를 나타낸다. 앞서 P&O 과정의 k와는 구별된다.Where N is the number of individuals (particles) and i is the number of repetitions (or evolutionary households). The number of repetitions i is incremented by one and repeated until the set value. Here, k represents the kth particle among all the individual particles. It differs from k in the P & O process.

또한, 초기 입자(particle)의 속도를 [-vmax, vmax] 내에서 랜덤하게 생성한다. vmax 는 입자(particle)의 이동속도를 의미하며 탐색범위의 20%로 설정한다. Also, the velocity of the initial particles is randomly generated within [-v max , v max ]. v max means the speed of movement of the particles and is set to 20% of the search range.

[수학식 8]&Quot; (8) &quot;

Figure 112016016018445-pat00012
Figure 112016016018445-pat00012

다음으로, 입자군집 최적화(PSO)를 수행할지 차분진화 최적화(DE)를 수행할지를 판단한다(S32). 즉, 반복 횟수가 홀수이면 PSO 과정(S41~S48)을 수행하고, 짝수이면 DE 과정(S51~S59)을 수행한다. 반복횟수는 진화세대수로서 i로 표시한다.Next, it is determined whether to perform particle cluster optimization (PSO) or differential evolution optimization (DE) (S32). That is, if the number of repetitions is an odd number, the PSO process (S41 to S48) is performed, and if it is an even number, the DE process (S51 to S59) is performed. The number of repetitions is the number of evolutionary households and is indicated by i.

먼저, 입자군집 최적화(PSO)를 하는 과정을 설명한다.First, we explain the process of particle community optimization (PSO).

각 입자들의 속도와 위치(또는 보정전압)를 계산한다(S41). 수학식 9는 속도이며, 수학식 10은 탐색할 새로운 위치값 또는 보정전압을 나타낸다.The velocity and position (or correction voltage) of each particle are calculated (S41). Equation 9 represents the velocity, and Equation 10 represents the new position value or correction voltage to be searched.

[수학식 9]&Quot; (9) &quot;

Figure 112016016018445-pat00013
Figure 112016016018445-pat00013

[수학식 10]&Quot; (10) &quot;

Figure 112016016018445-pat00014
Figure 112016016018445-pat00014

수학식 9에서 w는 관성하중으로써 사전에 정해진 값이다. 바람직하게는, 관성하중 w는 1.2를 사용한다.In Equation (9), w is a predetermined value as the inertial load. Preferably, the inertia load w is 1.2.

또한, c1,c2는 상수로써, 바람직하게는, 각각 2, 1.5값을 적용한다. Pbk는 각 k번째 입자의 가장 좋은 값이며, Gb는 전체입자들 중 가장 좋은 값이다. 여기서 좋은 값은 가장 높은 전력값을 갖는 위치, 즉, 보정전압을 나타낸다.In addition, c1 and c2 are constants, preferably 2 and 1.5, respectively. Pbk is the best value for each kth particle, and Gb is the best value among all the particles. Here, a good value represents a position having the highest power value, i.e., a correction voltage.

다음으로, 각 입자들의 보정전압을 측정하여 적합도 J를 계산한다(S42).Next, the fitness J is calculated by measuring the correction voltage of each particle (S42).

수학식 10에 생성된 N개의 입자에 대하여 적합도 Jk를 계산한다. 여기서 Jk는 k번째 입자에 대한 접합도로써, k번째 입자의 위치, 즉, 보정전압 일 때의 전력값이다. 이때, 해당 보정전압으로 설정하고, 그때 측정되는 전력값이다.The fitness Jk is calculated for the N particles generated in the equation (10). Where Jk is the degree of junction for the kth particle and is the position of the kth particle, ie, the power value at the corrected voltage. At this time, it is set to the correction voltage, and it is a power value measured at that time.

다음으로, 재초기화 조건이 만족하는지 판단하고, 만족하면 초기화 단계(S31)을 수행하여 재초기화 한다. 이때, 재초기화 조건은 다음 수학식에 의해 판단된다.Next, it is determined whether the re-initialization condition is satisfied. If the re-initialization condition is satisfied, initialization step S31 is performed to reinitialize. At this time, the re-initialization condition is determined by the following equation.

[수학식 11]&Quot; (11) &quot;

Figure 112016016018445-pat00015
Figure 112016016018445-pat00015

여기서, J(Xi) 또는 J(Xi + 1)은 각각 이전 위치값과 새로운 위치값(즉, 보정전압)을 나타내고, △P는 사전에 정해진 임계값이다.Here, J (X i ) or J (X i + 1 ) represents a previous position value and a new position value (i.e., correction voltage), respectively, and? P is a predetermined threshold value.

다음으로, 각 입자의 입자별 최적위치 Pbest와, 전체 최적위치 Gbest를 갱신한다(S44). 즉, 각 입자들에 대하여 새로 생성된 위치벡터 Xk i에 대한 적합도가 이전의 입자별 최적위치의 적합도보다 좋을 경우, 입자별 최고값 Pbk를 새로 변경된 값으로 교체한다. 또한, 개별 최적위치 Pbk의 적합도가 전체 최적위치 Gbi의 적합도보다 좋은 경우 이 값으로 대체한다. Next, the optimum position Pbest of each particle and the total optimum position Gbest are updated (S44). That is, for each particle, if the fitness for the newly generated position vector X k i is better than the fitness for the previous optimal position for each particle, replace the highest value P bk for each particle with the newly changed value. If the fitness of the individual optimum position Pbk is better than the fitness of the total optimum position Gbi, this value is substituted.

여기서 Pbk는 k번째 입자가 반복되면서 가장 좋은 적합도를 갖는 해이며, Gbi는 i번째 반복동안 가장 좋은 적합도를 보이는 해를 의미한다.Where Pbk is the solution with the best fit as the kth particle is iterated and Gbi is the solution with the best fit for the ith iteration.

다음으로, 반복횟수 i를 증가시킨다(S61). 즉, 다음 세대에 대하여 최적화 작업을 수행한다. 또한, 최적값이 구해지지 않거나 설정된 반복횟수가 도달하지 않는 경우. 입자들의 속도에 따라 각 입자들을 이동시켜 최적화를 찾는 단계(S41~S44)들을 반복하여 수행한다(S62).Next, the repetition number i is increased (S61). That is, optimization is performed for the next generation. Also, when the optimum value is not obtained or the set number of repetitions is not reached. Steps S41 to S44 to search for optimization by moving each particle according to the velocity of the particles are repeatedly performed (S62).

최적값이 구해지거나 설정된 반복횟수가 도달한 경우 최적값을 설정하고 종료한다(S62,S63). 여기서 최적값은 Gbest값이 새로 갱신되는 경우를 의미한다.If the optimum value is found or the set number of repetitions reaches, the optimum value is set and the process ends (S62, S63). Here, the optimal value means that the Gbest value is newly updated.

즉, 보정전압 D(k)를 전체 최적위치 Gbest로 설정하고, 앞서 P&O 과정을 수행한다(S64). 이때, 구한 전체 최적위치 Gbest의 적합도(또는 전력)가 앞서 P&O 과정에서 구한 촤대전력점의 전력 Ppv(k) 보다 작으면, 더 이상 P&O 과정을 수행하지 않는다(S63).That is, the correction voltage D (k) is set to the total optimum position Gbest and the P & O process is performed in advance (S64). At this time, if the fitness (or power) of the calculated total optimum position Gbest is smaller than the power Ppv (k) of the power point determined in the P & O process, the P & O process is no longer performed (S63).

이하에서는 차분진화 최적화(DE) 과정을 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the differential evolution optimization (DE) process will be described in detail.

먼저, 수학식 7처럼 정의된는 i번째 세대의 N개의 입자로부터 임의로 3개의 입자 xi r1, xi r2, 그리고 xi r3를 선택한다(S51). 여기서 r1,r2,r3는 1~N사이의 값이며 이중에서 랜덤하게 선택된 값이다.First, arbitrarily three particles x i r1 , x i r2 , and x i r3 are selected from N particles of the i-th generation defined in Equation (7) (S51). Where r1, r2, and r3 are values between 1 and N, and are randomly selected values.

다음으로, 수학식 12에 의하여 각 입자에 대하여 돌연변이 벡터를 생성한다(S52). 여기서 K와 F는 돌연변이 인자로써, 바람직하게는, 0~2사이의 값을 사용하며, 더욱 바람직하게는, 각각 0.5와 0.7값을 사용한다.Next, a mutation vector is generated for each particle according to Equation (12) (S52). Here, K and F are mutation factors, preferably values between 0 and 2, more preferably values between 0.5 and 0.7, respectively.

[수학식 12]&Quot; (12) &quot;

Figure 112016016018445-pat00016
Figure 112016016018445-pat00016

다음으로, 수학식 13에 의하여 각 입자들에 대하여 실험 벡터 Ui k를 생성한다. 여기서 rnd는 0~1사이에서 랜덤하게 생성하는 랜덤한 값이며, CR은 확률변수로서 본 발명에서는 0.8값을 사용한다. Next, an experimental vector U i k is generated for each particle according to Equation (13). Here, rnd is a random value randomly generated between 0 and 1, and CR is a random variable, and 0.8 is used in the present invention.

[수학식 13]&Quot; (13) &quot;

Figure 112016016018445-pat00017
Figure 112016016018445-pat00017

여기서, Wk i 는 각 입자 Xk i 의 돌연변이 벡터이다.Here, W k i is a mutation vector of each particle X k i .

다음으로, 새로 생성된 N개의 실험벡터 Ui k에 대하여 적합도 J(Ui k)를 계산한다(S54). 즉, 실험벡터 Ui k 를 보정 전압으로 하여, 전력을 측정하여 적합도를 산출한다. 즉, 실험벡터들은 돌연변이가 포함된 입자 집단이다.Next, the fitness J (U i k ) is calculated for the newly generated N test vectors U i k (S54). That is, the test vector U i k is set as the correction voltage, and the power is measured to calculate the fitness. In other words, experimental vectors are a group of particles containing mutations.

다음으로, 수학식 11과 같은 재초기화 조건을 판단한다(S55). 조건을 만족하면 초기화 단계(S31)을 수행하여 재초기화 한다.Next, the re-initialization condition as shown in Equation (11) is judged (S55). If the condition is satisfied, the initialization step S31 is performed and reinitialized.

다음으로, Gbest를 계산하고 갱신한다(S56).Next, Gbest is calculated and updated (S56).

다음 수학식 14를 만족하면 가장 좋은 적합도를 갖는 해를 Gbest로 갱신한다.If the following Equation (14) is satisfied, the solution having the best fitness is updated to Gbest.

[수학식 14]&Quot; (14) &quot;

Figure 112016016018445-pat00018
Figure 112016016018445-pat00018

다음으로, 앞서 반복횟수를 증가시키는 단계(S61)를 수행하여, 다음 세대에 대한 최적화 작업을 수행하거나, 반복횟수가 설정횟수를 초과하거나 P&O 과정에서 구한 최적점 보다 높은 전체 최적위치 Gbest를 구하면, P&O 과정을 다시 수행한다.Next, a step S61 of increasing the number of repetition times is performed to perform an optimization operation for the next generation, or if a total optimum position Gbest which is higher than the optimum point obtained in the P & O process exceeds the set number of repetition times or is obtained, Perform the P & O process again.

다음으로, 본 발명의 효과를 도 9을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.Next, the effect of the present invention will be described in more detail with reference to FIG.

본 발명은 전력최적점 Vmpp를 찾는 부분에서 최대출력을 내는 전압의 값을 찾아야 하는데 DEPSO는 집단검색 방법으로써 여러 개의 지점을 초기값으로 하여 최적의 값을 찾아가는 방법이다. 즉, 수학식 7처럼 N개의 후보 전압을 생성한 뒤에 수학모델에 대입하여 최대 출력을 내는 전압을 계산하면서 가장 우수한 값을 찾아서 최종 출력으로 한다.In the present invention, it is necessary to find the value of the voltage that gives the maximum output in the part for finding the power optimum point Vmpp. DEPSO is a method for collectively searching for optimal values by using several points as initial values. That is, N candidate voltages are generated as shown in Equation (7), and then a maximum output voltage is calculated by substituting the generated N candidate voltages into a mathematical model, and the most excellent value is found as a final output.

도 9의 (a)는 가장 이상적인 태양전지의 V-P 특성 곡선 및, 최대전력점을 도시하고 있고, 도 9의 (b), (c), (d)은 음영 등에 의해 로컬 최대전력점이 다수개가 나타나는 V-P 특성 곡선이다.9 (a) shows the VP characteristic curve and the maximum power point of the most ideal solar cell, and FIGS. 9 (b), (c) and (d) VP characteristic curve.

즉, 음영이 안지거나 이상적으로 동작하는 경우 모듈의 특성은 도 9(a)처럼 굴곡이 한 개이며 최대값을 같는 점이 한 개이다.That is, when the shade is not working or ideally operated, the characteristics of the module are as shown in FIG. 9 (a) and one point having the same maximum value.

그러나 모듈에 음영이 생기는 경우, 도 9의 (b),(c),(d)처럼 PV모듈의 I-V 커브 특성을 보면 여러 개의 극점이 발생한다. 이러한 시스템에서 최대점을 찾는 알고리즘들이 많이 있는데 많은 알고리즘이 지역 극소에 빠져서 전역 극소값을 찾지 못하는 경우가 발생한다. 특히 PSO알고리즘은 모든 입자들이 Gbest 방향으로 수렴하는 특성을 갖고 있기 때문에 Gbest값이 지역 극소인 경우 이 값에서 빠져나올 수 있는 기능이 없다. 이를 개선하기 위해 DE와 결합을 통하여 돌연변이를 생성함으로써 전혀 새로운 지점을 탐색함으로써 전역극소를 찾을 수 있는 확률을 높일 수 있다.However, when the module is shaded, several poles are generated when the I-V curve characteristic of the PV module is shown in FIGS. 9 (b), (c), and (d). In this system, there are many algorithms to find the maximum point. Many algorithms fall into the local minimum, and the global minimum can not be found. In particular, since the PSO algorithm has the property that all the particles converge in the Gbest direction, there is no function that can escape from the Gbest value when the local minimum is small. In order to improve this, it is possible to increase the probability of finding a global minimum by searching for a completely new point by creating a mutation by combining with DE.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.Although the present invention has been described in detail with reference to the above embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the spirit of the present invention.

10 : 태양전지 어레이 20 : 인버터
30 : 제어 장치 40 : 전력계통
10: solar cell array 20: inverter
30: control device 40: power system

Claims (9)

태양광 패널의 스트링 및 어레이에 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법에 있어서,
(a) P&O 과정에 의하여 최대전력점을 추종하되, 최대전력점이 임의의 점으로 수렴하여 현재 전력의 변화가 사전에 정해진 제1 임계값 보다 작을 때까지 추종하는 단계;
(b) 보정전압을 입자들로 구성하여 N개 입자의 입자 집단을 생성하고, 각 입자의 속도를 랜덤하게 생성하는 단계;
(c) 각 입자의 속도를 갱신하여 이동하는 위치를 구하고, 각 입자의 위치에서의 적합도를 구하고, 적합도에 따라 입자별 최적위치 및, 전체 최적위치를 산출하거나 갱신하는 단계;
(d) 상기 입자 집단에서 적어도 3개의 입자를 랜덤하게 선택하고, 선택된 입자들에 대하여 돌연변이 벡터를 생성하고, 확률 변수에 따라 돌연변이 벡터가 포함되는 돌연변이 입자 집단을 생성하고, 돌연변이 입자 집단에서 적합도가 최고인 전체 최적위치를 산출하거나 갱신하는 단계;
(e) 상기 (c) 단계와 (d) 단계를 서로 교차하여 반복 수행하되, 반복횟수가 사전에 정해진 설정횟수를 초과하거나 상기 (a)단계의 최대전력점의 전력 보다 더 큰 전력을 가지는 전체 최적위치가 검출되면, 상기 (a)단계를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법.
A method for improving the MPPT efficiency of a solar inverter in partial shading of strings and arrays of solar panels,
(a) following the maximum power point according to the P & O process, following the maximum power point until the current power converges to a predetermined point and is smaller than a predetermined first threshold value;
(b) generating a population of particles of N particles by composing the correction voltage as particles, and randomly generating the speed of each particle;
(c) updating the velocity of each particle to find a moving position, calculating a fitness at a position of each particle, and calculating or updating an optimal position and a total optimum position for each particle according to the fitness;
(d) randomly selecting at least three particles in the population of particles, generating a mutation vector for the selected particles, generating a population of mutant particles containing a mutation vector according to the random variable, Calculating or updating a total optimum position that is the best;
(e) repeating the steps (c) and (d), and repeating the steps (a) and (d), wherein the number of repetitions exceeds a preset number of times, And performing the step (a) when an optimal position is detected, wherein the MPPT efficiency improvement method of the solar photovoltaic inverter at the partial shading is performed.
제1항에 있어서,
상기 입자 집단의 각 입자의 위치는 보정전압으로 설정하고, 각 입자의 적합도는 각 입자의 위치인 보정전압일 때에 측정된 전력으로 설정하는 것을 특징으로 하는 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the position of each particle in the particle group is set as a correction voltage, and the fitness of each particle is set to a power measured when the correction voltage is a position of each particle. The MPPT efficiency improvement of the solar inverter in partial shading Way.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계 또는 (d) 단계에서, 각 입자의 이전 위치에 의한 적합도 대비, 현재 위치에 의한 적합도와 이전 위치에 의한 적합도의 차이의 비율이 사전에 정해진 제2 임계값 보다 크면, 상기 (b)단계를 다시 수행하여 반복하는 것을 특징으로 하는 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법.
The method according to claim 1,
If the ratio of the fitness by the current position to the fitness by the previous position is larger than the predetermined second threshold value in the step (c) or (d) and b) repeating steps a) and b) to repeat the MPPT efficiency of the photovoltaic inverter.
제1항에 있어서,
상기 (a)단계에서, 현재 전압과 현재 전류를 측정하여 현재 전력을 계산하고, 전압증분을 산출하여 현재 전압에 상기 전압증분을 더하여 다음 회차의 보정 전압을 산출하여, 산출된 보정전압에 의하여 다음 회차의 전력를 계산하여 반복하고, 전력 변화를 구하는 것을 특징으로 하는 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법.
The method according to claim 1,
In the step (a), the current voltage and the current are measured to calculate the current power, the voltage increment is calculated, the voltage increment is added to the current voltage to calculate the correction voltage of the next turn, And calculating the power of the rotation of the photovoltaic device and repeating the calculation to obtain the power change.
제3항에 있어서,
상기 (a)단계에서, 현재 전력과 이전 전력을 대비한 결과에 따라 전압증분의 부호를 결정하는 것을 특징으로 하는 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법.
The method of claim 3,
Wherein the sign of the voltage increment is determined according to a result of comparing the current power with the previous power in the step (a).
제1항에 있어서,
상기 (b)단계에서, 다음 수식 1에 의하여, 입자들의 집단 및 속도를 초기화하되, Vj i는 각 입자 Xj i 의 속도이고, [-vmax, vmax] 내에서 랜덤하게 생성하고, vmax 는 입자의 이동속도를 의미하며 탐색범위의 20%로 설정되는 것을 특징으로 하는 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법.
[수식 1]
Figure 112016016018445-pat00019

Figure 112016016018445-pat00020

단, 입자들 Xj i는 보정 전압을 나타내고, N은 입자의 수이며, i는 반복횟수를 나타내고, k는 입자에 대한 인덱스를 나타냄.
The method according to claim 1,
In step (b), the population and velocity of the particles are initialized according to the following equation: V j i is the velocity of each particle X j i and is randomly generated within [-v max , v max ] v max Is the moving speed of the particles and is set to 20% of the search range. A method of improving MPPT efficiency of a solar inverter in partial shading.
[Equation 1]
Figure 112016016018445-pat00019

Figure 112016016018445-pat00020

Where particles X j i represent the correction voltage, N is the number of particles, i represents the number of repetitions, and k represents the index for the particles.
제6항에 있어서,
상기 (c)단계에서, 각 입자들의 속도와 위치(또는 보정전압)를 다음 [수식 2]에 의해 갱신하는 것을 특징으로 하는 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법.
[수식 2]
Figure 112016016018445-pat00021

Figure 112016016018445-pat00022

단, w는 관성하중이고, c1,c2이고, Pbk는 각 k번째 입자의 가장 좋은 값이며, Gb는 전체입자들 중 가장 좋은 값임.
The method according to claim 6,
Wherein the speed and position (or correction voltage) of each particle in the step (c) are updated by the following equation (2).
[Equation 2]
Figure 112016016018445-pat00021

Figure 112016016018445-pat00022

Where w is the inertia load, c1, c2, Pbk is the best value for each kth particle, and Gb is the best value among all particles.
제6항에 있어서,
상기 (d)단계에서, 돌연변이 입자 집단은 수식 3에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법.
[수식 3]
Figure 112016016018445-pat00023


단, xi r1, xi r2, xi r3는 입자 집단의 i번째 세대의 N개의 입자로부터 임의로 3개 선택된 입자들이고, r1,r2,r3는 1~N사이의 값이며 이중에서 랜덤하게 선택된 값이고, K와 F는 돌연변이 인자이고, rnd는 0~1사이에서 랜덤하게 생성하는 랜덤한 값이며, CR은 확률변수임.
The method according to claim 6,
Wherein in the step (d), the mutant particle group is obtained by the formula (3).
[Equation 3]
Figure 112016016018445-pat00023


Where x i r1 , x i r2 , x i r3 are randomly selected three particles from N particles of the i-th generation of the population of particles, r1, r2 and r3 are values between 1 and N, Value, K and F are mutation factors, rnd is a random value randomly generated between 0 and 1, and CR is a random variable.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 부분음영 시의 태양광 인버터의 MPPT 효율 개선 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
A computer-readable recording medium having recorded thereon a program for performing a method of improving MPPT efficiency of a solar inverter in partial shading according to any one of claims 1 to 8.
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